钢结构的连接（PPT205页）

1、第四章 钢结构的连接焊缝连接螺栓连接第四章 钢结构的连接教学目的、要求教学内容掌握全焊透对接焊缝和直角角焊缝的构造与计算；理解普通螺栓和高强螺栓的构造与计算；了解焊缝的残余应力和残余变形；1.钢结构的连接方法及应用2.全焊透对接焊缝的构造与计算重点3.角焊缝的构造与计算重点4.焊缝的残余应力和残余变形5.普通螺栓和高强螺栓的构造与计算难点第四章 钢结构的连接4.1 钢结构的连接方法及其应用连接的方式焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接连接的原则安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材 图4.1 连接的方式a)NNNNc)NNb)螺栓连接铆钉连接焊接连接第四章 钢结构的连接一、焊接1、焊接一般通

2、过电弧产生热量使焊条和焊件局部熔化，然后冷却凝结成焊缝，使焊件连接成一体。2、焊接的特点 优点：不需要在钢材上打孔钻眼，节约材料；任何形状的构件都可以直接焊接，构造简单；连接的密封性好，刚度大；易于采用自动化作业，提高焊接的质量。第四章 钢结构的连接缺点：施焊时温度高，使材质变脆 形成焊接残余应力和残余变形 对裂纹敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到 整体，低温冷脆问题较为突出。3、焊接的应用 除少数直接承受动力荷载结构的某些部位，因容易产生疲劳破坏，其它的部位均可普遍应用。第四章 钢结构的连接二、铆接 1、铆接是将铆钉插入铆孔后施压使铆钉端部铆合,常用加热铆合，也可在常温下铆合。 2、特点传

3、力可靠，塑性、韧性均较好；制造费工费料，且劳动强度大。基本被焊接和高强度螺栓连接所代替。第四章 钢结构的连接第四章 钢结构的连接三、螺栓连接1、普通螺栓连接普通螺栓分为C级螺栓和A级、B级螺栓两种。 A级、B级螺栓采用钢材性能等级5.6级或8.8级制造（5.6级抗拉强度fu不小于500N/mm，fy/fu=0.6），A级、B级螺栓,尺寸准确，精度较高。螺杆和螺孔间的最大间隙为0.30.5mm，螺栓受剪性能良好。但制造和安装过于浪费，目前很少采用。C级螺栓4.6级和4.8级制造。尺寸不精确，螺栓强度较低，螺杆和螺孔之间的间隙为1.53mm，螺栓受剪时板件间产生较大的滑移，故受剪性能较差。受拉性能

4、较好。第四章 钢结构的连接 2、高强度螺栓连接 高强度螺栓连接采用优质合金结构钢并经过热处理，有10.9S级和8.8S级(S表示高强度螺栓）。 高强度螺栓摩擦型连接利用板叠间的摩擦力即可有效地传递剪力。其特点变形小、不松动、耐疲劳，因此用于直接承受动荷载的结构最佳。 高强度螺栓承压型连接允许超过板叠间的摩擦力并产生滑动，然后利用栓杆与螺栓孔壁靠紧传递剪力。其特点强度高，剪切变形比摩擦型的大。仅用于承受静荷载或间接动荷载的结构。第四章 钢结构的连接扭剪型高强度螺栓第三章 连 接高强度螺栓摩擦型连接高强度螺栓承压型连接传力机理利用预拉力把被连接的部件夹紧，使部件的接触面间产生很大的摩擦力，外力通过

5、摩擦力来传递允许接触面滑移，依靠螺栓杆和螺孔之间的承压来传力栓孔直径螺杆的公称直径+1.52.0mm螺杆的公称直径+1.01.5mm特点剪切变形小，弹性性能好，特别适用于承受动力荷载的结构连接紧凑，但剪切变形大，不得用于直接承受动力荷载的结构高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接比较第三章 连 接第四章 钢结构的连接连接方法优 点缺 点焊 接对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高 。焊接残余应力大且不易控制，焊接变形大。对材质要求高，质量检验工作量大。 铆 接传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好。 费钢、费工 。目前很少采用普通螺栓连接装卸便利，设备简单螺栓精度低时

6、不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大 。高强螺栓连接 加工方便，对结构削弱少，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好 。摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高 主要连接方法及优缺点第三章 连 接第四章 钢结构的连接4.2 焊接方法、焊缝形式和质量等级1. 钢结构常用的焊接方法电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊。 （1）手工电弧焊原理：利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝。 图4.2 手工电弧焊 焊机导线熔池焊条焊钳保护气体焊件电弧优点：方便，适用于任意空间位置的焊接，特别适用于在高空和野外作业，小型焊接。缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低。 第四章 钢结构的连接第章

7、连 接B、焊条的选择： 焊条应与焊件钢材（主体金属）相适应。不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。第四章 钢结构的连接A、焊条的表示方法：E后面加4个数字E焊条(Electrode)第1、2位数字为熔敷金属的最小抗拉强度（kgf/mm2)第3、4表示适用焊接位置、电流及药皮的类型。Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-E5518)Q345钢选择E50型焊条 (E5001-E5048)Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328)（2）埋弧焊（自动或半自动）电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。、焊丝转盘送丝器焊剂漏斗焊剂熔渣焊件图4.3 埋弧自动焊机器优点：自动化

8、程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限。焊丝的选择应与焊件等强度。第四章 钢结构的连接第章 连 接第四章 钢结构的连接（3）气体保护焊 利用焊枪喷出的CO2或其他惰性气体代替焊剂的电弧溶焊方法。直接依靠保护气体在电弧周围形成保护层，以防止有害气体的侵入。 优点：没有熔渣，焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制，不适用于在风较大的地方施焊。（4）电阻焊 利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来溶化金属，再通过压力使其焊合。适用于板叠厚度不大于12的焊接。 第四章 钢结构的连接2. 焊接接头及焊缝的形式（1）焊缝连接形式：按被连接钢材的相互位置分为对

9、接、搭接、T形连接和角部连接。第四章 钢结构的连接1）对接连接有拼接盖板的对接连接第四章 钢结构的连接2）搭接连接3）T形连接4）角部连接第三章 连 接（2）焊缝形式：按焊缝截面形状分为对接焊缝和角焊缝。 对接焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正对接焊缝(a)：作用力方向与焊缝方向正交。 2）斜对接焊缝(b)：作用力方向与焊缝方向斜交。 角焊缝按受力与焊缝方向分： 1）正面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向垂直。 2）侧面角焊缝(c) ：作用力方向与焊缝长度方向平行。 3）斜焊缝（c）：作用力方向与焊缝方向斜交。图4.4 焊缝形式第四章 钢结构的连接1）对接焊缝正对接焊缝T型对接焊缝 斜对接

10、焊缝2）角焊缝第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接角焊缝沿长度方向的布置分为：第三章 连 接第四章 钢结构的连接连续角焊缝：受力性能较好，为主要的角焊缝形式。 断续角焊缝：在起、灭弧处容易引起应力集中，用于次要构件或受力小的连接。 bl间隔角焊缝连续角焊缝第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接角焊缝按施焊位置分为：船形位置焊（平焊）立焊立焊仰焊仰焊仰焊横焊横焊横焊平焊图3.2.3平焊、立焊、横焊和仰焊。第三章 连 接第四章 钢结构的连接3. 焊缝符号及标注方法标注方法相同焊缝安装焊缝双面焊缝单面焊缝三角围焊塞焊缝对接焊缝角焊缝形式hfOhfhfbv 20mm 第三章 连

11、接第四章 钢结构的连接第三章 连 接2.对接焊缝的优缺点 优点：用料经济、传力均匀、无明显的应力集中，利于承受动力荷载。缺点：需剖口，焊件长度要求精确。 3.对接焊缝的构造处理垫板垫板垫板图4.7 根部加垫板图4.8 对接焊缝的引弧板引弧板第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接1）为防止熔化金属流淌必要时可在坡口下加垫板。2）在焊缝的起灭弧处，常会出现弧坑等缺陷，故焊接时可设置引弧板和引出板，焊后将它们割除。3）在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5的斜角，以使截面过渡和缓，减小应力集中。图4.9 不

12、同厚度或宽度的钢板拼接a) 改变厚度b) 改变宽度1:2.51:2.5第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4. 对接焊缝的强度 1）受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等。 2）三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85%。 3）一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4.3.2 对接焊缝的计算1. 轴心受力的正对接焊缝图4.3.5 直对接焊缝连接（4. 1）lw焊缝计算长度，t连接件的较小厚度，对T形接头为腹板的厚度 ; ftw、fcw对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（P63表4.2）；（1）对lw的取值：考

13、虑到起落弧缺陷的影响，无引弧板时，焊缝计算长度取实际长度减去2t；有引弧板时，取实际长度。（2）在一般加引弧板施焊的情况下，所有受压、受剪的对接焊缝以及受拉的一、二级焊缝，均与母材等强，不用计算。 （3）对接焊缝需要计算焊缝强度的情况:没有引弧板时需要计算； 受拉情况下的三级焊缝。 第三章 连 接第四章 钢结构的连接图4.10 斜对接焊缝b（4.2）（4.3）第三章 连 接斜向受力的斜对接焊缝 对接焊缝斜向受力是指作用力通过焊缝重心，并与焊缝长度方向呈夹角，其计算公式为：lw斜焊缝计算长度。加引弧板时，lwb/sinq；不加引弧板时，lwb/sinq2t。 fvw对接焊缝抗剪强度设计值。（P6

14、3表4.2）规范规定，当斜焊缝倾角q56.3，即tanq 1.5时，可认为对接斜焊缝与母材等强，不用计算。第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接2. 承受弯距和剪力联合作用的对接焊缝 焊缝内应力分布同母材。焊缝截面是矩形，正应力与剪应力图形分布分别为三角形与抛物线形，其最大值应分别满足下列强度条件。 （4.5）（4.4）图4.11 弯矩和剪力共同作用下的对接焊缝M焊缝承受的弯矩；Ww焊缝截面模量。V焊缝承受的剪力；Iw焊缝计算截面惯性矩；Sw计算剪应力处以上（或以下）焊缝计算截面对中和轴的面积矩。第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接 对于工字形或T形截面除应分别验算最大正

15、应力与最大剪应力外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:（4.6）式中 : 1、1为腹板与翼缘交接处的正应力和剪应力。 1.1为考虑到最大折算应力只在局部出现，而将强度设计值适当提高系数。 图4.12 弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接2501016161例题：计算工形截面对接焊缝拼接强度,Q235B-F钢材，E43焊条，手工电弧焊，三级焊缝，加引弧板，截面设计弯矩M=400kN.M，剪力设计V=250

16、kN。解：焊缝设计强度查表4.2 （P63） fvw =125N/mm2 ftw =185N/mm2 fcw =215N/mm2 计算焊缝截面特性翼缘焊缝 lw=250mm（带引弧板），t=16mm腹板焊缝 lw=568mm（连续焊缝），t=10mm第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接2501016161第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接2501016161对接焊缝小结计算原则：I、II级等强不计算，仅计算III级焊缝（1）轴心受力的对接焊缝对接焊缝的计算第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接（2）受弯受剪的对接焊缝第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构

17、的连接工字形或T形截面应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:1.角焊缝的形式和强度第三章 连 接4.4 角焊缝的构造和计算4.4.1 角焊缝的构造角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。 （a）普通型 （b）平坡型 （c）凹面型图4.13 直角角焊缝截面（1）直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。 he hfcos45=0.7hf第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（2）斜角角焊缝两焊边的夹角a90或a135o或12mm）或190mm（t12mm）；

18、a) 构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与b / lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b / lw 1；t为较薄焊件的厚度。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接 c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致 ；侧面角焊缝可用凹形直角焊缝为1:1 。 b) 在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接t1t2 （t1t2）搭接图第三章 连 接 d) 当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊

19、缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2hfa)2hf2hf图4.18 绕角焊缝第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接 e) 在次要构件或次要焊接连接中，可采用间断角焊缝。间断角焊缝的长度不得小于10hf 或50mm，间断角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀。 图4.19 断续角焊缝第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接 焊角尺寸：hfdcbadcbahehfhf1）焊缝的破坏面4.4.2 直角角焊缝的基本计算

20、公式假定：直角角焊缝破坏发生于45截面上，既有效厚度方向发生。图4.20 直角角焊缝截面 有效厚度：he 0.7hf 焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度 有效截面：有效厚度计算长度计算时假定有效截面上应力均匀分布。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接2）有效截面上的应力状态图4.21 角焊缝有效截面上的应力国际标准化组织（ISO）推荐用式（4.8）确定角焊缝的极限强度dadacche 在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： 正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） 剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） 剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直） 上式相当于国产Q235钢提出，其它

21、钢种公式左边系数（1.73.0）式中： fuw -焊缝金属的抗拉强度第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（4.10）ffw角焊缝强度设计值我国规范采用了折算应力公式，引入抗力分项系数后得角焊缝计算公式为： 出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算应力公式一致，欧洲钢结构协会（ECCS），将（4.8）的1.8改为3即：ffw由角焊缝抗剪条件确定，所以公式右边相当于角焊缝抗拉强度设计值。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接图4.23 直角角焊缝的计算 如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均

22、应力f，其在有效截面上引起的应力值为：（4.11） f 对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为 和 。对直角角焊缝 ：3）实用计算方法第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接图4.24 直角角焊缝的计算沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力 f。（4.12）第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：（4.13）（4.14）f 正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载或间接承受动荷载时 f 1.22，对直接承受动力荷载的结构， f 1.0 。 第三章 连 接第三章 连 接第四

23、章 钢结构的连接实用计算公式第四强度理论：第三章 连 接正面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向垂直。侧面角焊缝 f0，力N与焊缝长度方向平行。（4.15）（4.16）以上各式中： he=0.7hf； lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4.4.3 角焊缝的计算1.轴心力（拉力、压力和剪力）作用时角焊缝的计算 当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。(1）用盖板的对接连接A、仅采用侧面角焊缝连接NNlwSlw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章 连 接第三章 连

24、接第四章 钢结构的连接第三章 连 接B、采用三面围焊连接NNlwlw先计算正面角焊缝承担的内力Slw连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和再计算侧面角焊缝的强度Slw连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接(2）承受斜向轴心力的角焊缝NNxNyff图4.25 轴心力作用下的角焊缝平行于焊缝长度方向的分力Ncos垂直于焊缝长度方向的分力Nsin （4.17a）（4.17b）外力N和焊缝长度方向斜交，焊缝受到的力N被分解为：代入公式，得焊缝计算公式：第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（4.18）取得：令：则斜焊缝的计算

25、公式为：02030405060708090 f 1.001.021.041.081.121.141.201.22将 f（斜焊缝强度增大系数）作成表格第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接例题4.1 试设计用拼接盖板的对接连接。已知钢板宽B270mm，厚度t1=28mm，拼接盖板的厚度t2=16mm。该连接承受的静态轴心力N1400kN（设计值），钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接分析方法一：假定焊脚尺寸-焊缝长度-拼接盖板尺寸步骤1：假定焊脚尺寸（hf）角焊缝的尺寸是根据板件的厚度确定的。最大焊脚尺寸：

26、规范规定，当t6mm时，hft-(12)mm，t为较薄焊件的厚度hfmax =1415mm取hf=10mm,查表可得角焊缝强度设计值：ffw160N/mm2最小焊脚尺寸：规范规定，hf1.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度hfmin = 7.9mm第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接步骤2：计算焊缝长度（lw）假设采用两面侧焊缝，拼接盖板采用上下两块。根据公式算得连接一侧所需四条焊缝总长度拼接盖板的长度 L=2lw+10=3332+10=676mm, 取680mm式中，10为两块被连接钢板的间隙一条侧焊缝的实际长度: lw =1250/4+210= 333mm 验算l

27、wmin=10hf=1010=100lw=333lwmax=60hf=6010=600第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接步骤3：确定拼接盖板的宽度（b）虽然沿拼接盖板的宽度方向没有施焊，但也应该根据强度条件和构造要求确定其宽度。强度条件：假设b=240mm,则一块拼接盖板的横截面积A=3840mm2, 根据静态轴力计算的强度值s=N/2A=1.4106/（23840）=182.3 N/mm2f=215 N/mm2故选用拼接盖板的尺寸为680mm240mm16mm构造要求：当板件端部只有两条侧面角焊缝连接时，要求b12mm时，b16t=1616=256, t为较薄焊件

28、的厚度第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接方法二：假定焊脚尺寸和拼接盖板尺寸-验算焊缝承载力（如果假定的焊缝尺寸不能满足承载力要求时，则应调整焊脚尺寸，再进行验算）步骤1：假定焊脚尺寸（hf=10mm)步骤2：假定拼接盖板尺寸采用菱形拼接盖板，拼接盖板上下两块第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接步骤3：计算各部分焊缝的承载力a)正面角焊缝：N1=109.3kNb)侧面角焊缝N2=448.0kNc)斜焊缝N3=854.8kN步骤4：作用力设计值与承载力比较N=1400kN 6mm时，hft-(12)mm，t为较薄焊件的厚度10mmhfmax =

29、89mm取hf=6mm最小焊脚尺寸：规范规定，hf1.5(t)1/2，t为较厚焊件的厚度14mmhfmin = 5.6mm第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接步骤3：计算角钢肢背和肢尖上侧缝分担的轴力（N1 ,N2）查表（P72表4.4）得焊缝内力分配系数K1=0.65, K2=0.35肢背角焊缝所承受的内力 N1=0.65575=373.75kN肢尖角焊缝所承受的内 N2=0.35575=201.25kNNk1Nk2Nlw2lw1第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接步骤4：计算角钢肢背和肢尖上侧缝长度（lw1 ,lw2）利用公式肢背角焊缝侧

30、缝长度lw1=278mm考虑到起灭弧的影响，肢背和肢尖角焊缝实际长度肢尖角焊缝侧缝长度lw2=150mmlw2=lw2+2hf=162mmlw1=lw1+2hf=290mm第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接NeNxNyMANxMNyhehet（1）受弯矩M 、剪力V 、轴力N联合作用时角焊缝的计算由轴心拉力Nx产生的应力：由弯矩M产生的最大应力：2.复杂受力时角焊缝连接计算第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接A点产生的剪应力：A点控制应力最大为控制设计点A点产生的正应力由两部分组成：轴心拉力Nx和弯矩M产生的正应力。直接叠加得：代入角焊缝实

31、用计算公式第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（2 ）V、M共同作用下焊缝强度计算h1f1f2fxxhh2221h1MeFVM对于1点：式中：Iw全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩； h1两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接弯曲应力沿焊缝截面呈三角形分布剪应力沿腹板焊缝截面均匀分布如图第三章 连 接h1f1f2fxxhh2221h1MeFVM对于2点：强度验算公式：h2 腹板焊缝的实际长度；lw2腹板焊缝的计算长度；he2腹板焊缝截面有效高度。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢

32、结构的连接钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第三章 连 接工字梁（或牛腿）与钢柱翼缘角焊缝的连接另一种计算方法是使焊缝传递应力近似与材料所承受应力相协调，即假设腹板焊缝只承受剪力，翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h。 (h值近似取为翼缘中线的距离) 腹板焊缝的强度计算式：HH翼缘焊缝的强度计算式：V第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接Chapter 4 Connections of steel structures第三章 连 接（3）三面围焊受扭矩、剪力联合作用时角焊缝的计算图3.3.19 承受偏心力的三面

33、围焊 Fe1rxahl2xxyyAA0TVre将F向焊缝群形心简化得: 轴心力 VF扭矩 T=Fe故：该连接的设计控制点为A点和A点计算时按弹性理论假定:被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。扭距在角焊缝群上产生的任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接e2x0hl2xxyyAA0TFrxxyyrrxryA0heTTfFAT作用下A点应力:sTIp为焊缝计算截面对形心的极惯性矩，Ip =Ix+Iy Ix，Iy焊缝计算截面对

34、x、y轴的惯性矩； rx、ry为焊缝形心到焊缝验算点在x、y方向的距离。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接轴力F产生的应力按均匀分布计算，A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为: f，F，平行于焊缝长度方向的应力为: T强度验算公式：F第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接xxyyrrxryA0heTTfFA例4.3 验算图中梁与钢柱间的连接角焊缝的强度。钢材Q235，手工焊，焊条E43型。荷载设计值N=400kN（静力荷载），e=250mm，焊脚尺寸hf=8mm。焊缝采用了周边围焊。NVMa)b)c)例题4.3 (角焊缝受偏心剪力)第三章 连 接第三章

35、 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接分析对于工字梁与钢柱的角焊缝连接，通常只承受弯矩M和剪力V的作用，荷载情况简单，但是焊缝采用了周边围焊，焊缝截面情况比较复杂。目的：验算角焊缝的强度（焊脚尺寸hf已知，焊缝长度lw可以根据构造要求确定）计算时可以采用两种假设：A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担；B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接计算步骤2：作用在焊缝形心上力的计算V=N=400kN M=Ne=100kNm 步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw）查表4.2（P63） 得 ffw =160N/mm2采用假设

36、A：腹板焊缝承受全部剪力，弯矩由全部焊缝承担步骤3：计算焊缝有效截面对中和轴的惯性矩第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接翼缘焊缝的最大正应力 sf1=106.9N/mm2bf160=195N/mm2 步骤4：计算控制点应力 控制点有两点： a) 翼缘焊缝的最外纤维处 b) 翼缘焊缝与腹板焊缝的交点处 b)交点处腹板焊缝由弯矩引起的最大正应力 sf2=88.4N/mm2剪力V在腹板焊缝中产生的平均剪应力 tf=105.0N/mm2交点处腹板焊缝的强度为127.6N/mm2160N/mm2 满足强度要求第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接 采用假

37、设B：腹板焊缝承受全部剪力，翼缘焊缝承受全部弯矩HH 步骤3：翼缘焊缝所承受的水平力（翼缘焊缝承担全部弯矩，可以将弯矩转化为一对水平力） H=M/h=263kN (h值近似取为翼缘中线的距离) 翼缘焊缝的强度 sf120.4N/mm2195N/mm2腹板焊缝的强度 tf105.0N/mm2160N/mm2 均满足要求第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接例4.4 设计牛腿板与钢柱间的连接角焊缝（三面围焊），并验算焊缝强度。板边长度l1=300mm，l2=400mm，偏心力F=196kN，e1=300mm，承受静力荷载，钢材Q235，手工焊，焊条为E43型，钢板厚t=10

38、mm。（见书上例题4.5，P78）ye1TFVAoa)e2l1l2第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接xryrxrb)yoxy0.7hfye1TFVAoa)e2l1l2分析该三面围焊共同承受剪力V和扭距T的作用，将偏心力F移至焊缝计算截面的重心就可以求出相应的V和T。目的：设计牛腿板和钢柱板之间的角焊缝（焊缝长度可以根据构造要求确定）假设焊脚尺寸验算角焊缝的强度第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接计算步骤2：焊缝计算截面的重心位置 x0=90mm 步骤1：确定焊缝强度设计值（ffw） 查规范（P382表1.3） 得 ffw =160N/mm2

39、xyx300400步骤3：焊缝截面的惯性矩 Ix=16.4107mm4 Iy5.5107mm4 Ip21.9107mm4第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接步骤4：作用在焊缝上的力计算 V=F=196kN e=e1+e2=e1+(l1-x0)=510mm T=Fe=109N.mmrTVxyx300400e2e1NA步骤5：控制点A强度计算 sf=96N/mm2 tT=91N/mm2 sF=35N/mm2 （4.3.6）控制点强度为140.8N/mm26mm时，hf t(12)mm。焊脚尺寸取值：图：角焊缝最大hf第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构

40、的连接焊缝长度取值：焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm ，且不宜大于60hf。其他构造要求仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时2.角焊缝计算的基本公式第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接1. 受轴心力焊件的拼接板连接仅侧面角焊缝：仅正面角焊缝：3.常用连接方式的角焊缝计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接 斜向焊缝：三面围焊时： 先计算正面角焊缝N1， 剩余的N-N1由侧面角焊缝承担。2. 受轴心力角钢的连接当采用侧面角焊缝连接时 肢背： 肢尖

41、：第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接当采用三面围焊连接时 正面角焊缝承担的力： 侧面角焊缝承担的力： 肢背 肢尖当采用L形焊连接时 正面角焊缝承担的力： 侧面角焊缝承担的力： 3. 弯矩作用下角焊缝计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接4. 扭矩作用下角焊缝计算(A点)5. 弯矩、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算(A点为控制点)第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接6. 扭矩、剪力、轴心力共同作用下角焊缝计算(A点为控制点)第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接第三章 连 接第

42、三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（1）焊缝受力很小甚至不受力，且要求外观齐平美观。（2）焊缝受力虽较大，但采用焊透对接焊缝强度又得不到发挥；如采用角焊缝，焊脚又过大，于是做成用坡口加强的角焊缝。4.5 部分焊透对接焊缝的计算图4.3.22 部分焊透的对接焊缝截面型式 坡口形式有V形（全V形和半V形）、U形和J形三种。在转角处采用半V形和J形坡口时，不宜在板的厚度上开坡口，这样可避免焊缝收缩时板厚度方向产生裂纹。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接 由于未焊透，在焊件之间存在缝隙，焊根处有较大的

43、应力集中，受力性能接近于角焊缝。规范规定：部分焊透的对接焊缝的强度按角焊缝强度公式计算，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取 f1.22 ；其他情况取 f1.0 。 不焊透对接焊缝计算用角焊缝公式计算焊缝有效厚度 he 的取值为： a) V形坡口60时，取he=s； 60时，取he=0.75s b) 单边V形和K形坡口，455取he=s -3 mmc) U形、J形坡口，取he=s s 为坡口根部至焊缝表面的最短距离（不考虑焊缝的凸度） 为V形、单边V形、K形坡口的角度。如下图所示。 第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接不焊透对接焊缝的禁用：规范规定： （1）在直接承受动力荷载的结构

44、中，垂直于受力方向的焊缝不得采用不焊透的对接焊缝； （2）对重级工作制和起重量大于或等于50吨的中级工作制吊车梁上翼缘和腹板间的T型连接应采用焊透的对接焊缝。 第四章 钢结构的连接S的取值第三章 连 接12hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图A12hf1hf1hf2hf2he2he1b图B（1）不考虑应力方向，统一取f=1.0。4.6 斜角角焊缝的构造和计算1.斜角焊缝的计算计算方法与直角焊缝相同，按 计算（2）在确定斜角角焊缝的有效厚度时，假定焊缝在其所成夹角的最小斜面上发生破坏。第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（3）规范规定：当两焊脚边夹角60o29

45、0o，90o 2当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接（3）对低温冷脆的影响（4）对疲劳强度的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。 对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降

46、低压杆的稳定承载力。（5）对压杆稳定的影响第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接焊接应力的影响 常温下不影响结构的静力强度； 增大结构的变形，降低结构的刚度； 降低疲劳强度； 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性变形，在低温下使裂纹易发生和发展； 降低压杆的稳定性。2.焊接变形的影响 焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； 影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接4.7.3 减少焊接应力和变形的措施（1）采用合理的施焊顺序和方向（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力

47、（3）锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸（4）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理1.合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式（2）尽可能减少不必要的焊缝（3）合理的安排焊缝的位置（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉（5）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2.合理的工艺措施第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接例题1、某T型牛腿，角焊缝连接，F=250kN，Q235钢，E43型 焊条，静荷载，确定焊脚尺寸。解：1、确定焊缝计算长度（两条L型焊缝) 竖焊缝：lw12005195mm， 水平焊缝： lw2（20016）/2-587mm,取lw285mm2、求焊缝形心及惯性矩：3

48、、力向形心转移4、受力控制点分项应力（下点）5、焊缝强度结算：6、焊脚尺寸确定： 取：第三章 连 接精制螺栓粗制螺栓代号A级和B级C级强度等级5.6级和8.8级4.6级和4.8级加工方式车床上经过切削而成单个零件上一次冲成加工精度螺杆与栓孔直径之差为0.250.5mm螺杆与栓孔直径之差为1.53mm抗剪性能好较差经济性能价格高价格经济用途构件精度很高的结构（机械结构）；在钢结构中很少采用，已被高强度螺栓代替沿螺栓杆轴受拉的连接；次要的抗剪连接；安装的临时固定4.8 普通螺栓连接的构造和计算第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接钢结构设计原理 Design Princip

49、les of Steel Structure第三章 连 接4.8.1 螺栓的排列和构造要求 螺栓的排列应简单、统一而紧凑，满足受力要求，构造合理又便于安装。排列的方式有并列排列(a)和错列排列(b)两种。2.螺栓的排列第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接1.螺栓的规格与表示 钢结构一般选用C级（粗制）六角螺母螺栓，标识用M和公称直径（mm）表示，例如M16、M20等第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面的削弱较大；错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓空排列不如并列

50、紧凑，连接板尺寸较大。(1)受力要求 下限：防止孔间板破裂3d0上限：防止板间张口和鼓曲。b）螺孔中心距限制a）端距（顺内力方向螺栓中心至构件边缘距离）限制防止孔端钢板剪断，2d0；注：其中d0为螺栓孔的直径第三章 连 接因此规范从受力的角度规定了最大和最小容许间距中心距太大15d0(d0为孔径)时，连接进入弹塑性工作状态后，即使内力重新分布,各个螺栓内力也难以均匀，端部螺栓首先破坏，然后依次破坏。由试验可得连接的抗剪强度折减系数与l1/d0的关系曲线。连接所需栓数：第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接(4.45b)连接板净截面强度:第三章 连 接第三章 连 接第三章

51、 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接净截面面积计算:1）螺栓并列排布：直线面积开孔处受拉破坏面(I，II，III)n1直线面上螺栓孔数d0螺栓孔径n2折线面上螺栓孔数2）螺栓错列排布：折线面积第三章 连 接FeFTTxyN1TN1TxN1Tyr11F1N1F（2）普通螺栓群偏心受剪F作用下每个螺栓受力：基本假设 连接件绝对刚性, 螺栓弹性； T作用下连接板件绕栓群形心转动，各螺栓剪力大小与螺栓至形心的距离ri成正比，方向与它和形心的连线垂直。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接剪力计算公式 设各螺栓至螺栓群形心O的距离为r1 、r2 、r3 ，rn

52、，各螺栓承受的分力分别为N1T、 N2T、N3T ， NnT，根据平衡条件得：（a）TxyN1TN1TxN1Tyr11显然，T作用下1号螺栓所受剪力最大（r1最大）。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（c） 将（c）式代入（a），得用N1T表达的T式： 由假设得到，（b）螺栓1离形心最远是危险螺栓,最大剪力N1T第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接（a）第三章 连 接将N1T它分解为水平和竖直分力：（3.5.7）（4.52）得受力最大螺栓所承受的合力为:（4.54）xi第i个螺栓中心的x坐标yi第i个螺栓中心的y坐标yoxx1

53、1r1y1如果y13x1，则可假定xi=0 。 由此得N1Ty=0，则计算式为：（4.51）第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4.8.3 普通螺栓的受拉连接1.普通螺栓受拉的工作性能b) 试验证明影响撬力的因素较多，其大小难以确定，规范将螺栓的抗拉强度设计值降低20来考虑撬力的影响，取ftb=0.8f（f螺栓钢材的抗拉强度设计值）。a) 螺栓受拉时，一般是通过与螺杆垂直的板件传递，即螺杆并非轴心受拉，当连接板件发生变形时，螺栓有被撬开的趋势（杠杆作用），使螺杆中的拉力增加（撬力Q）并产生弯曲现象。连接件刚度越小撬力越大。 图4.8.6 受拉螺栓的撬力

54、第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接c) 在构造上可以通过加强连接件的刚度的方法，来减小杠杆作用引起的撬力，如设加劲肋，可以减小甚至消除撬力的影响。加劲肋图4.8.7 翼缘加强的措施 2.单个普通螺栓受拉承载力（4.57）Ntb单个螺栓抗拉承载力；Ae 螺栓螺纹处的有效面积；de 螺栓有效直径；附表14P384 ftb 螺栓的抗拉强度设计值。(按表4.11P90选用) ftb 0.8f 假定拉应力在螺栓螺纹处截面上均匀分布，则一个拉力螺栓的承载力设计值：第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接dedndmd螺栓的有效截

55、面面积 因栓杆上的螺纹为斜方向的，所以公式取的是有效直径de而不是净直径dn，现行国家标准取：第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（1）栓群轴心受拉 当外力通过螺栓群形心时，一般假定每个螺栓均匀受力，因此连接所需的螺栓数目为：（ 4.58）3. 普通螺栓群受拉N第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接M刨平顶紧承托(板)M1 2 3 4受压区y1y2y3N1N2N3N4中和轴显然1号螺栓在M作用下所受拉力最大由力学及假定可得：第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接(2）栓群承受弯矩作用第三章 连

56、 接将式(c)代入式(b)得:由式(a)得:因此，设计时只要满足下式即可：螺栓i 的拉力: 即受力最大的最外排螺栓1的拉力不超过一个螺栓的抗拉承载力设计值第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接图3.5.10 螺栓群偏心受拉刨平顶紧承托(板)NeV(3）栓群偏心受拉 V有承托板承受小偏心受拉当M/N较小时，所有螺栓均承受拉力作用，构件B绕螺栓群的形心O转动。螺栓群的最大和最小螺栓受力为：（4.61a）第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（4.61b）当 Nmin0 则表示所有螺栓受拉，螺栓群绕形心轴旋转。大偏心受拉当N

57、min 0 时，由于M/N较大，构件B绕A点（底排螺栓）旋转趋势，偏于安全取中和轴位于最下排螺栓O处，受拉力最大的螺栓要求满足：（4.62）第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4.8.4 剪拉螺栓群的计算同时承受剪力和拉力作用的普通螺栓有两种可能破坏形式：一是螺栓杆受剪受拉破坏；二是孔壁承压破坏。图4.8.12 剪拉联合作用的螺栓图4.8.13 剪力和拉力的相关曲线试验研究结果表明，兼受剪力和拉力的螺杆分别除以各自单独作用的承载力，所得的相关关系近似为圆曲线。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接规范规定：同时承受剪

58、力和杆轴方向拉力的普通螺栓，应符合圆曲线相关方程，如下列公式的要求： 验算剪-拉联合作用：（4.65）（4.66）验算孔壁承压：NVb单个螺栓抗剪承载力设计值；Ncb单个螺栓承压承载力设计值Ntb单个螺栓抗拉承载力设计值；Nv 、Nt单个螺栓承受的最大剪力和拉力设计值。 第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接4.9 高强度螺栓连接的构造和计算材料 高强度螺栓是高强螺杆和配套螺母、垫圈的合称。高强度螺栓常用钢材有优质碳素钢中的45号钢，合金钢中的20锰钛硼钢等。制成的螺栓有8.8级和10.9级。4.9.1 高强度螺栓的工作性能和构造要求分类按受力特征的不同高

59、强度螺栓分为两类，摩擦型高强度螺栓通过板件间摩擦力传递内力，破坏准则为克服摩擦力；承压型高强度螺栓受力特征与普通螺栓类似。在外力的作用下螺栓承受剪力和拉力。高强度螺栓安装时将螺帽拧紧，使螺杆产生预拉力而压紧构件接触面，靠接触面的摩擦来阻止连接板相互滑移，以达到传递外力的目的。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接1.高强度螺栓连接工作性能抗剪连接工作性能1）由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连接件中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑移，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载

60、直到破坏。高强度螺栓NO12341234普通螺栓abNN/2N/22）对于高强度螺栓摩擦型连接，其破坏准则为板件发生相对滑移，因此其极限状态为1点，所以1点的承载力即为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力。3）对于高强度螺栓承压型连接，允许接触面发生相对滑移，破坏准则为连接达到其极限状态4点，所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪承载力计算方法与普通螺栓相同。第三章 连 接第三章 连 接第三章 连 接第四章 钢结构的连接第三章 连 接（1）高强度螺栓预拉力的建立方法2.高强度螺栓连接的构造要求 大六角头螺栓的预拉力控制方法有：a.力矩法 初拧用力矩扳手拧至终拧力矩的30%50%，使板件贴紧密； 终